Пособие соответствует утвержденной рабочей программе дисциплины «Современные проблемы оптотехники». Оно содержит также вопросы используемые при проведении контроля и тестирования. Библиография 76 наим

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 4.4. Фотоприемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II [43-49]

Подобный материал:

• Учебное пособие Томск 2004 ббк, 2186.02kb.
• Программа дисциплины "современные проблемы науки", 33.09kb.
• 1. Предмет, задачи и проблемы экологии как науки, 368.36kb.
• Учебное пособие соответствует обучающей программе «Типичные проблемы при медико-социальном, 516.93kb.
• «Философия. Часть I. История философии», 1572.94kb.
• Методическое пособие по переводу сокращений и выражений, часто встречающихся в аэронавигационных, 5767.72kb.
• Методическое пособие для преподавателей по выполнению лабораторных работ, вопросы программированного, 905.89kb.
• Пособие подготовлено на кафедре культурологи и социальной коммуникации, соответствует, 1593.29kb.
• Методические рекомендации 37 Библиография 40 Контрольные вопросы 41 Глава Субъектный, 78.23kb.
• Пособие подготовлено на кафедре культурологии и социальной коммуникации, соответствует, 1653.9kb.

^

4.4. Фотоприемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II [43-49]

Как альтернативу ФПУ на основе КРТ и СКЯ в последние годы все чаще рассматривают фотоприемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II (type II superlattice – T2SL). Такие ФПУ позволяют сравнительно просто получать перестраиваемую длинноволновую границу спектральной характеристики λ_гр; они обладают высокой поглощательной способностью и, как следствие, высокой квантовой эффективностью, более однородны по фоточувствительному слою, имеют малые темновые токи. Сегодня создание крупноформатных ФПУ на базе T2SL затруднено из-за ограниченных размеров подложек из GaSb, применяемых при их изготовлении. Лучшие T2SL-ФПУ имеют форматы 320 х 256 пикселов и менее. Так, сообщается об изготовлении T2SL-ФПУ на базе гибридных гетероструктур InAs/GaInSb/AlGaInSb формата 256 х 256 пикселов размером 40 мкм, работающих при температурах 78…80 К и имеющих квантовую эффективность около 40% на длине волны 8 мкм. Темновые токи этих ФПУ в 10…20 раз меньше, чем у близких по параметрам ФПУ-КРТ. Значение λ_гр у этих ФПУ может смещаться от 9 до 11,5 мкм.

В последнее время привлекает внимание возможность создания T2SL-ФПУ T2SL-ФПУ на подложках из GaAs, хорошо освоенного в электронной промышленности. В таких ФПУ уже достигнута удельная обнаружительная способность D٭= 1,1∙10¹¹ Вт^-1см Гц^1/2 при Т_охл=77 К в диапазоне 8…12 мкм.

Работа фотоприемников на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II (СР-ФПУ) основана на аномальном взаимном расположении зоны проводимости InAs и валентной зоны GaSb – первая расположена ниже второй. Ширину запрещенной зоны в них можно подбирать в широких пределах (3…30 мкм), и она в большей степени зависит от толщины слоев, нежели от композиции материалов. Технология изготовления СР-ФПУ, основанная на молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет формировать однородные фоточувствительные слои с высоким процентом годных приемников. При этом имеется возможность точной регулировки λ_гр . Значение λ_гр растет с увеличением рабочей температуры; значение ЭШРТ остается практически постоянным до 90 К, после чего начинает резко возрастать. Это вызвано уменьшением ширины запрещенной зоны, что ведет к возрастанию тепловой генерации носителей заряда [43].

Интерес к CР-ФПУ, обладающим большим коэффициентом поглощения, возник из-за возможности замены ими КРТ-ФПУ, а также из-за того, что они поглощают нормально падающее на них излучение, так что в отличие от ФКЯ-ФПУ никаких дифракционных структур в их конструкции не требуется. Технология их изготовления основана на хорошо отработанной технологии материалов А₃В₅ на дешевых подложках. Из рис.4.1 видно, что теоретическое значение D* у них выше, чем у других типов приемников.

Распространенными материалами CР-ФПУ являются InAs, GaSb, AlSb, GaInSb. В последние годы демонстрировались СР-ФПУ средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов. В [43] сообщалось о разработке матрицы формата 320 х 256 на базе InAs/GaSb с λ_гр =9,6 мкм на уровне 50% от максимума при температуре 80 К. Квантовая эффективность при использовании антиотражающего покрытия составила 80%, а ЭШРТ – 23 мК. Матрица работает с частотой кадров более 32 Гц и при смещениях от 120 до 200 мВ без изменения чувствительности.

В последние годы усилия исследователей из Фраунгоферского института прикладной физики твердого тела (IAF) были направлены на создание серийных образцов двухдиапазонных ФПУ на сверхрешетках типа II третьего поколения, для ИКС, работающих в средневолновом ИК-диапазоне (3…5мкм. Такие ФПУ идеально подходят для работы в составе бортовых комплексов оповещения о ракетной угрозе, благодаря возможности обеспечивать малую вероятность ложных тревог при построении изображений нагретых потоков СО₂ в считанные миллисекунды. Было изготовлено 11 двухдиапазонных ФПУ формата 288х384 на подложке из GaSb размером три дюйма, которые отличались высокой однородностью пикселов и малой ЭШРТ. Период пикселов составлял 40 мкм, но мог быть уменьшен до 30 мкм. Температура охлаждения равнялась 77 К. Первые приемники на сверхрешетках строились на основе короткопериодных структур InAs/GaSb. Они позволяли одновременно принимать излучение в двух спектральных каналах внутри диапзона 3…5 мкм. При температуре охлаждения 78 К и времени накопления 0,2 мс ЭШРТ таких ФПУ составила 25,9 мК в спектральном канале 3…4 мкм и 14,3 мК в канале 4…5 мкм.

Компания AIM Infrarot-Module GmbH (Германия) совместно с Институтом прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера еще в 2005-06 г.г. разработала двухдиапазонные (3…4 и 4…5 мкм) СР-ФПУ формата 384 х 288 с периодом пикселов 40 мкм на базе InAs/GaSb со значениями ЭШРТ 12 мК в диапазоне 3…4 мкм и 22 мК в диапазоне 4…5 мкм при диафрагменном числе К=2 и времени накопления t_н= 2,8 мс. Температура охлаждения приемников равнялась 77…85 К. В 2009 г. появилось сообщение о разработке двухдиапазонных СР-ФПУ формата 384 х 288 пикселов со средними значениями ЭШРТ 25,9 мК (для 3…4 мкм) и 14,3 мК (4…5 мкм) при охлаждении до 78 К и времени накопления 0,2 мс [44].

В [44, 45] описывается технология изготовления двухдиапазонных СР-ФПУ методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Была выбрана конструкция с вертикальным расположением «спина к спине» двух фотодиодов на основе суперрешеток с контактным слоем между ними. Толщина слоев коротковолновой структуры должна быть больше, чем в длинноволновом канале для уменьшения перекрестных спектральных искажений.

Стандартная схема считывания этих ФПУ представляет собой мультиплексор на КМОП-элементах с непосредственной инжекцией зарядов. Различие в интенсивности фоновых потоков в рабочих спектральных диапазонах учитывается путем выбора различных режимов накопления зарядов и независимого управления временами накопления. Для адаптации к изменениям яркости наблюдаемой сцены предусмотрена возможность выбора двух режимов усиления – высокого и низкого. Матрица работает в режиме мгновенной съемки, т.е. сначала происходит накопление, а затем одновременное считывание сигналов обоих рабочих диапазонов. Схема считывания имеет восемь выходов, каждый из которых работает на максимальной частоте 10 МГц. Для каждого спектрального канала имеются четыре выхода. Схема может запускаться внешним кадровым синхросигналом с частотой до 100 Гц для времени накопления менее 6 мс. Для более высоких частот кадров предусмотрено программирование окон в кадре.

В качестве системы охлаждения может использоваться стандартный модуль компании AIM Infrarot-Module GmbH SL150 мощностью 1,5 Вт или SL100 мощностью 1 Вт. Компания разработала также новый модуль SF100, средняя наработка на отказ у которого составляет 20000 ч и более.

В Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) Калифорнийского технологического института были созданы образцы СР-ФПУ с барьерными ИК приемниками (BIRD) на базе соединений InAs/GaSb/ AlSb, в которых используются униполярные барьеры, блокирующие только один какой-либо тип носителей [46]. Опытные образцы имели граничную длину волны 10 мкм и работали при температуре 77 К. Без применения просветляющего покрытия была достигнута чувствительность 1,5 А/Вт и плотность темнового тока 10 ^-5 А/см² при напряжении питания 0,2 В. Для температуры фона 300 К значение D* составило 2,6·10¹⁰ Вт^-1Гц^1/2см.

В [47, 48] обсуждаются вопросы разработки СР-ФПУ на основе InAs/(In,Ga)Sb, которые могут быть использованы для работы в средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах. Переключение диапазонов достигается изменением напряжения смещения на малую величину (около 0,1 В) и его полярности. Образцы СР-ФПУ формата 320 х 256 при температуре охлаждения 77 К имели ЭШРТ порядка 24 мК (при К=4 и t_н =16,3 мс), удельную обнаружительную способность D*=6,4 ·10¹¹ Вт^-1·см·Гц^1/2 и чувствительность 1,5 А·Вт^-1. Значения λ_гр в рабочих спектральных диапазонах равнялись 3,5 и 8,0 мкм.

Поскольку создание крупноформатных СР-ФПУ затруднено из-за ограниченных размеров подложек из GaSb (до 2…3-х дюймов), их высокой стоимости, а также значительного поглощения ими ИК-излучения, в последнее время привлекает внимание разработка СР-ФПУ на подложках из более дешевого и лучше освоенного в электронной промышленности материала – GaAs. Подложки из GaAs имеют размеры до 6 дюймов и лучше пропускают ИК-излучение. В [49] указывается, что оптические и электрические характеристики опытных образцов СР-ФПУ на подложках из GaAs соответствуют характеристикам СР-ФПУ на подложках из GaSb.